A energia de fusão é um motivo para estarmos animados com o futuro da energia limpa

A energia de fusão é talvez o mais longo dos planos gerais. Construir um reator de fusão é essencialmente criar uma estrela artificial. Os cientistas têm estudado a física da fusão por um século e trabalhando para controlar o processo por décadas. No entanto, quase todas as vezes que os pesquisadores avançam, os postes da baliza parecem recuar ainda mais à distância.

Ainda assim, o enorme potencial de fusão torna difícil ignorar. É uma tecnologia que poderia fornecer com segurança uma torrente imensa e constante de eletricidade, aproveitando o combustível abundante feito da água do mar para iniciar a mesma reação que alimenta o sol. Não produziria gases de efeito estufa e teria um mínimo de resíduos em comparação com as fontes de energia convencionais.

Com o aumento das temperaturas médias globais e o aumento da demanda de energia, a busca pela fusão é mais oportuna do que nunca: ela poderia ajudar a resolver os dois problemas ao mesmo tempo. Mas, apesar de sua promessa, a fusão é frequentemente tratada como uma curiosidade científica, em vez de um disparo lunar obrigatório – uma solução real para um grande problema que muda o mundo.

O último episódio de Inexplicável, O podcast de Vox sobre mistérios não resolvidos na ciência, pergunta aos cientistas sobre a busca de uma estrela em uma garrafa por décadas. Eles falam sobre seu progresso recente e por que a energia de fusão continua sendo um desafio. E eles defendem não apenas a continuidade da pesquisa de fusão, mas também a expansão agressiva e o investimento nela – mesmo que isso não acenda a rede elétrica tão cedo.


Com algumas das máquinas mais poderosas já construídas, os cientistas estão tentando refinar a mecânica subatômica delicada para alcançar um marco fundamental: obter mais energia de uma reação de fusão do que colocaram. Os pesquisadores dizem que estão mais próximos do que nunca.

A fusão é muito mais poderosa do que qualquer outra fonte de energia que temos

A fissão nuclear é o que acontece quando grandes átomos como urânio e plutônio se separam e liberam energia. Essas reações impulsionaram as primeiras bombas atômicas e, hoje, geram reatores nucleares convencionais.

A fusão é ainda mais potente. É o que acontece quando os núcleos de pequenos átomos se unem, fundindo-se para criar um novo elemento e liberando energia. A forma mais comum é a fusão de dois átomos de hidrogênio para criar o hélio.

A razão pela qual a fusão gera tanta energia é que o novo elemento pesa um pouquinho menos do que a soma de suas partes. Essa pequena porção de matéria perdida é convertida em energia de acordo com a famosa fórmula de Albert Einstein, E = mc2. “E” significa energia e “m” significa massa.

A última parte da fórmula é “c”, uma constante que mede a velocidade da luz – 300.000 quilômetros por segundo, que é então elevada ao quadrado. Portanto, há um enorme multiplicador de matéria que é convertido em energia, tornando a fusão uma reação extraordinariamente poderosa.

Esses princípios básicos são bem compreendidos e os pesquisadores estão confiantes de que é possível aproveitá-los de uma forma útil, mas até agora tem sido difícil de entender.

“É uma coisa estranha, porque sabemos absolutamente que a teoria fundamental funciona. Nós vimos isso ser demonstrado ”, disse Carolyn Kuranz, um físico de plasma da Universidade de Michigan. “Mas tentar fazer isso em um laboratório nos trouxe muitos desafios.”

Para uma demonstração, basta olhar para o sol durante o dia (mas não diretamente, porque você machucará seus olhos). Mesmo a 150 milhões de quilômetros de distância, nossa estrela mais próxima gera energia suficiente para aquecer a Terra através do vácuo do espaço.

O sol em um céu azul com nuvens.
Seu amigável reator de fusão da vizinhança.
Getty Images

Mas o sol tem uma vantagem que não temos aqui na Terra: é muito, muito grande. Uma das dificuldades com a fusão é que os núcleos atômicos – os núcleos dos átomos carregados positivamente – normalmente se repelem. Para superar a repulsão e a centelha de fusão, você precisa fazer com que os átomos se movam muito rápido em um espaço confinado, o que torna as colisões mais prováveis.

Uma estrela como o sol, que é sobre 333.000 vezes a massa da Terra, gera a gravidade que acelera os átomos em direção ao seu centro – aquecendo-os, confinando-os e iniciando a fusão. As reações de fusão fornecem então a energia para acelerar outros núcleos atômicos e desencadear ainda mais reações de fusão.

O que torna a energia de fusão tão complicada

Imitar o sol na Terra é uma tarefa difícil. Os humanos foram capazes de desencadear a fusão, mas de formas não controladas, como nas armas termonucleares (às vezes chamadas de bombas de hidrogênio) A fusão também foi demonstrada em laboratórios, mas sob condições que consomem muito mais energia do que a reação produz. A reação geralmente requer a criação de um estado de matéria de alta energia conhecido como plasma, que tem peculiaridades e comportamentos que os cientistas ainda estão tentando entender.

Para tornar a fusão útil, os cientistas precisam ativá-la de uma forma controlada que produza muito mais energia do que eles colocam. Essa energia pode então ser usada para ferver água, girar uma turbina ou gerar eletricidade. Equipes em todo o mundo estão estudando maneiras diferentes de fazer isso, mas as abordagens tendem a se enquadrar em duas categorias amplas.

Um envolve o uso de ímãs para conter o plasma. Esta é a abordagem usada por ITER, o maior projeto de fusão do mundo, atualmente em construção no sul da França.

A outra categoria envolve confinar o combustível de fusão e comprimi-lo em um espaço minúsculo com o auxílio de lasers. Esta é a abordagem usada pelo Instalação Nacional de Ignição (NIF) no Laboratório Nacional Lawrence Livermore na Califórnia.

Os engenheiros trabalham fora da câmara-alvo, onde o conjunto de lasers do National Ignition Facility do Lawrence Livermore Laboratory está concentrado.
A Instalação Nacional de Ignição do Laboratório Nacional Lawrence Livermore usa 192 lasers convergindo em uma pelota de combustível para desencadear reações de fusão.
David Butow / Corbis via Getty Images

A replicação de uma estrela requer fazer essa pesquisa em escalas massivas, então os experimentos de fusão geralmente envolvem os instrumentos científicos mais poderosos já construídos. ITER’s solenóide central, por exemplo, pode gerar uma força magnética forte o suficiente para içar um porta-aviões 6 pés fora da água.

Construir hardware para resistir a essas condições extremas é seu próprio desafio científico e de engenharia. Gerenciar experimentos tão massivos também tem sido uma luta. O ITER começou com uma estimativa de custo inicial de 6,6 bilhões de euros, que desde então mais do que triplicou. A construção começou em 2007 e seus primeiros experimentos estão programados para começar em 2025.

Uma vantagem para a complexidade das reações de fusão é que é quase impossível causar uma reação descontrolada ou colapso do tipo que devastou usinas de fissão como Chernobyl. Se um reator de fusão é interrompido, a reação desaparece rapidamente. Além disso, o principal produto “resíduo” da fusão do hidrogênio é o hélio, um gás inerte. O processo pode induzir alguns materiais do reator a se tornarem radioativos, mas a radioatividade é muito menor e a quantidade de resíduos perigosos é muito menor, em comparação com as usinas nucleares convencionais. Portanto, a energia de fusão nuclear poderia se tornar um dos fontes mais seguras de eletricidade.

Para os legisladores, investir em um projeto caro de pesquisa que pode não render frutos por décadas, se é que vai render, é uma venda difícil. O progresso científico nem sempre acompanha os cronogramas políticos: um político que dá luz verde a um projeto de fusão pode nem viver para vê-lo se tornar uma fonte de energia viável – então, certamente não será capaz de se gabar de seu sucesso na próxima a eleição rola.

Nos Estados Unidos, o financiamento para pesquisas de fusão tem sido errático ao longo dos anos e muito abaixo dos níveis que analistas do governo dizem ser necessário para tornar a tecnologia uma realidade. O Departamento de Energia dos EUA gasta atualmente cerca de $ 500 milhões em fusão por ano, em comparação com quase $ 1 bilhão em energia de combustível fóssil e $ 2,7 bilhões em energias renováveis. O investimento em fusão parece ainda menor perto de outros programas importantes como a NASA ($ 23 bilhões) ou os militares ($ 700 bilhões)

Portanto, desde sua física básica até os orçamentos governamentais, a energia de fusão tem muito a trabalhar contra ela.

A energia de fusão deve ser tratada como uma solução, não apenas um experimento

Trabalhando a favor da fusão, entretanto, estão os cientistas e engenheiros que pensam que isso não é apenas possível, mas inevitável.

“Eu sou um verdadeiro crente. Acho que podemos resolver esse problema ”, disse Troy Carter, um físico de plasma da Universidade da Califórnia em Los Angeles. “Vai levar tempo, mas o verdadeiro problema é conseguir os recursos utilizados para lidar com essas questões.”

Os investidores também estão entrando no jogo, fazendo apostas de bilhões de dólares em empresas privadas iniciantes desenvolvendo suas próprias estratégias de fusão.

A jornada em direção à fusão rendeu benefícios para outros campos, particularmente na física do plasma, que é amplamente usada na fabricação de semicondutores para eletrônicos. “O processamento de plasma é uma das coisas que tornam seus iPhones possíveis”, disse Kathryn McCarthy, pesquisador de fusão do Oak Ridge National Laboratory.

E apesar dos obstáculos, houve alguns avanços reais. Pesquisadores do NIF relataram no verão passado que eles alcançou seus melhores resultados até agora – 1,3 megajoules de saída de 1,9 megajoules de entrada – colocando-os mais perto do que nunca da fusão de energia positiva. “Estamos no limiar da ignição”, disse Tammy Ma, um físico de plasma do NIF.

Para sair de sua rotina, a fusão precisará ser mais do que um experimento científico. Assim como a exploração espacial é mais do que astronomia, a fusão é muito mais do que física. Deve ser uma ferramenta importante na luta contra os problemas mais urgentes do mundo, desde as mudanças climáticas até a retirada das pessoas da pobreza.

Aumentando o acesso à energia está intimamente ligado à melhoria da saúde, crescimento econômico e estabilidade social. Ainda perto de um bilhões de pessoas ainda não têm eletricidade e muitos mais têm apenas energia intermitente, portanto, há uma necessidade humanitária urgente de mais energia.

Ao mesmo tempo, a janela para limitar as mudanças climáticas está se fechando, e produção de eletricidade e calor permanecem as fontes dominantes de gases que retêm o calor na atmosfera. Para cumprir uma das metas do acordo climático de Paris – limitar o aquecimento a menos de 1,5 grau Celsius neste século – o mundo precisa reduzir as emissões de gases de efeito estufa pela metade ou mais até 2030, de acordo com o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas. Muitos dos maiores emissores de gases de efeito estufa do mundo também pretendem zerar suas contribuições para a mudança climática até a metade do século. Fazer tais cortes drásticos nas emissões significa eliminar gradualmente os combustíveis fósseis o mais rápido possível e implantar rapidamente fontes de energia muito mais limpas.

As tecnologias de hoje podem não estar à altura da tarefa de resolver a tensão entre a necessidade de mais energia e a necessidade de reduzir as emissões de dióxido de carbono. Um problema como a mudança climática é um argumento para apostar em todos os tipos de soluções energéticas de longo alcance, mas a fusão pode ser a tecnologia com maior vantagem. E em escalas de tempo mais longas, perto dos anos 2040 e 2050, pode ser uma solução real.

Com mais investimentos de governos e do setor privado, os cientistas poderiam acelerar seu ritmo de progresso e experimentar ainda mais abordagens de fusão. Nos Estados Unidos, onde grande parte da pesquisa é conduzida em laboratórios nacionais, isso significaria convencer seus representantes no Congresso a ficarem entusiasmados com a fusão e, por fim, a gastar mais dinheiro. Os legisladores também podem encorajar as empresas privadas a entrar no jogo, por exemplo, fixando o preço das emissões de dióxido de carbono para criar incentivos para a pesquisa de energia limpa.

A chave, de acordo com Carter, é garantir que o suporte para a fusão permaneça estável. “Dado o nível de importância aqui e a quantidade de dinheiro investido em energia, o investimento atual em fusão é uma gota no oceano”, disse Carter. “Você poderia imaginar aumentar ordens de magnitude para fazer o trabalho.”

Ele acrescentou que o financiamento para a fusão não precisa canibalizar recursos de outras tecnologias de energia limpa, como eólica, solar e nuclear. “Precisamos investir em todas as áreas”, disse Carter.

Por enquanto, os grandes experimentos de fusão no NIF e no ITER continuarão avançando. No NIF, os cientistas continuarão a refinar seu processo e a trabalhar continuamente em direção à fusão de energia positiva. O ITER está programado para começar a operar em 2025 e iniciar os experimentos de fusão de hidrogênio em 2035.

O poder artificial das estrelas pode levar décadas para iluminar o mundo, mas as bases precisam ser estabelecidas agora por meio de pesquisa, desenvolvimento e implantação. Pode muito bem se tornar a maior conquista da humanidade, mais de um século em andamento.


Source: Vox – All by www.vox.com.

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